模拟量传感器接线 模拟量在PLC里怎么应用？5分钟后就学会模拟量接线和编程！

模拟量在PLC里怎么应用？5分钟后就学会模拟量接线和编程！

在工业应用中，最普遍的两个元素就是数字量和模拟量，今天我们聊一聊模拟量的编程，

模拟量作为工业控制中必不可少的一个元素，由模拟量传感器发出信号，最终由控制单元接收，可以表示温度，压力，流量，液位等等！在PLC控制系统中，最常见的模拟量信号为4-20ma，以前的文章我们也提到过，4-20ma作为行业标准有着得天独厚的优势。

那么除了4-20ma外，我们还可以用-10V~ +10V或者0-20ma等等，这些信号由传感器发送出来，最终进入到PLC模拟量输入通道，那么你知道PLC怎么识别和控制吗？

我们用实例来说明一下，看完本文后你也可以使用PLC编程控制模拟量！

S7-200系列产品可以采集标准的电压、电流模拟量信号和热电偶、热电阻温度传感器信号。普通的电压和电流信号经过A/D转换成为0~32000 或者-32000~32000 之间的整数。温度传感器信号被直接转换为摄氏度（或华氏度）温度值，省去了复杂的温度值换算。

S7-200系列可以提供的模拟量输出信号有-10V~ +10V之间的电压和0~20mA 的电流信号，能够满足大多数模拟量负载的需求。

S7-200系列的模拟量扩展模块选型灵活，用户可以根据实际需要选择使用CPU224XP集成的模拟量通道，或者使用4通道输入、8通道输入、2通道输出、4通道输出和输入输出混合模块。

224 XP在CPU上集成了两个模拟量输入端口和一个模拟量输出端口。

224 XP 的模拟量输入/输出通道的精度为 12位。 224 XP上的模拟量输入转换速度比模拟量扩展模块慢，因此要求高的场合请使用模拟量扩展模块。

分辨率 是A/D模拟量转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。S7-200模拟量模块的转换分辨率是12位，能够反映模拟量变化的最小单位是满量程的1/4096。

模拟量转换的精度 除了取决于A/D转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入的模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于A/D芯片的转换误差。

二、CPU 224 XP本体集成的模拟量I/O接线图如下：

图中：

a:此处表示A+和B+都可以接±10V信号

b:电流型负载接在I和M端子之间

c:电压型负载接在V和M端子之间

S7-224 XP 的两路模拟量输入通道被出厂设置为电压信号(0－10V)输入。为了能够输入电流信号，必须在 A+ 与 M 端 (或 B+ 与 M 端) 之间并入一个500 欧姆的电阻。并必须确保外接电流源具有短路保护以防损坏。因为没有充分隔离，外接电阻也可成为干扰源。

为了得到尽量精确的测量结果，推荐使用公差尽可能小的电阻。当在500欧电阻两端施加最大 28.8V 的电压时，电阻消耗功率为1.66W。要选择功率大于1.66瓦的500欧电阻。

三、模拟量比例换算

S7-200 CPU内部用数值表示外部的模拟量信号，两者之间有一定的数学关系。这个关系就是模拟量/数值量的换算关系。例如，使用一个0 - 20mA的模拟量信号输入，在S7-200 CPU内部，0 - 20mA对应于数值范围0 - 32000；对于4 - 20mA的信号，对应的内部数值为6400 - 32000。

模拟量转换的目的不是在S7-200 CPU中得到一个0 - 32000之类的数值；对于编程和操作人员来说，得到具体的物理量数值（如压力值、流量值），或者对应物理量占量程的百分比数值更重要，这是换算的最终目标。

1、通用比例换算公式

模拟量的输入/输出都可以用下列的通用换算公式换算：

Ov = [(Osh - Osl)*(Iv - Isl)/(Ish - Isl)] + Osl

其中：

Ov:换算结果，Iv:换算对象，Osh:换算结果的高限，Osl:换算结果的低限，

Ish:换算对象的高限，Ish:换算对象的低限。

它们之间的关系可以图示如下：

2、实用指令库

为便于用户使用，用户可以将“自定义指令库”添加到自己的Micro/WIN编程软件中应用。下载并添加模拟量比例换算指令库如下图中的scale_E(V1.0),或scaling（V1.2）。

在这个指令库中，子程序Scale_I_to_R可用来进行模拟量输入到S7-200内部数据的转换；子程序Scale_R_I可用于内部数据到模拟量输出的转换。

四、模拟量编程实例

1、模拟电路图及接线如下图，24V电源采用S7-224 XP自带的电源。调节电位器可以得到0—9V的直流电压输出。

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S7-200SMART PLC重点精讲：模拟量模块接线图、扩展模块、CPU结构

一、S7-200 SMART 模拟量模块接线图

1、普通模拟量模块接线

模拟量类型的模块有三种：普通模拟量模块、RTD模块和TC模块。

普通模拟量模块可以采集标准电流和电压信号。其中，电流包括：0-20mA、4-20mA两种信号，电压包括：+/-2.5V、+/-5V、+/-10V三种信号。

注意：

S7-200 SMART CPU普通模拟量通道值范围是0~27648或-27648~27648。

普通模拟量模块接线端子分布如下图1 模拟量模块接线所示，每个模拟量通道都有两个接线端。

图1、模拟量模块接线

模拟量电流、电压信号根据模拟量仪表或设备线缆个数分成四线制、三线制、两线制三种类型，不同类型的信号其接线方式不同。

四线制信号指的是模拟量仪表或设备上信号线和电源线加起来有4根线。仪表或设备有单独的供电电源，除了两个电源线还有两个信号线。四线制信号的接线方式如下图2模拟量电压/电流四线制接线所示。

图2、模拟量电压/电流四线制接线

三线制信号是指仪表或设备上信号线和电源线加起来有3根线，负信号线与供电电源M线为公共线。三线制信号的接线方式如下图3 模拟量电压/电流三线制接线所示。

图3 模拟量电压/电流三线制接线

两线制信号指的是仪表或设备上信号线和电源线加起来只有两个接线端子。由于S7-200 SMART CPU模拟量模块通道没有供电功能，仪表或设备需要外接24V直流电源。两线制信号的接线方式如下图4 模拟量电压/电流两线制接线所示。

图4 模拟量电压/电流两线制接线

不使用的模拟量通道要将通道的两个信号端短接，接线方式如下图5 不使用的通道需要短接所示。

图5 不使用的通道需要短接

2. RTD模块接线

RTD热电阻温度传感器有两线、三线和四线之分，其中四线传感器测温值是最准确的。S7-200 SMART EM RTD模块支持两线制、三线制和四线制的RTD传感器信号，可以测量PT100、PT1000、Ni100、Ni1000、Cu100等常见的RTD温度传感器，具体型号请查阅《S7-200 SMART系统手册》。

S7-200 SMART EM RTD模块还可以检测电阻信号，电阻也有两线、三线和四线之分。

EM RTD模块的接线方法如下图6 传感器RTD/电阻信号接线所示。

图6 RTD传感器/电阻信号接线

3、TC模块接线

热电偶测量温度的基本原理是：两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势。

S7-200 SMART EM TC模块可以测量J、K、T、E、R&S和N型等热电偶温度传感器，具体型号请查阅《S7-200 SMART系统手册》。TC模块的接线说明参考图7 TC信号接线。

图7 TC信号接线

注意：

每个模块的接线图请参考《S7-200 SMART 系统手册》中“技术规范”章节。

二、模拟量常问问题

1、S7-200 SMART 普通模拟量模块可以连接4-20mA的信号吗？

可以，S7-200 SMART CPU模拟量模块可以检测0～20mA和4～20mA的标准电流信号；两种电流信号的接线、在STEP 7-Micro/WIN SMART软件中的参数设置都是一样的。区别在于：0～20mA对应的通道值量程是0～27648，而4～20mA对应的通道值量程是5530～27648。

2、S7-200 SMART RTD模块可以测量电阻值吗？

可以，S7-200 SMART RTD模块最大可以测量3000Ω的电阻值。如下图所示，在"类型"下拉菜单中选择电阻类型；在"电阻" 下拉菜单中中选择可测量电阻的最大值，如图 2.31选择阻值量程范围所示。

图1.选择阻值量程范围

3、S7-200 SMART RTD和TC模块如何得到实际温度值？

把S7-200 SMART EM RTD和TC模块的通道值除以10就是实际的温度值。由于RTD和TC模块的通道值是整数值，需要把整数值转换成浮点数才能在计算后得到带有小数位的温度值。

4、模拟量模块分辨率和转换精度的区别？

分辨率是A/D模拟量转换芯片的转换精度，即用多少位的数值来表示模拟量。以下举例说明10位分辨率和11位分辨率的区别。S7-200 SMART CPU模拟量0~20mA的通道值范围为0~27648。如果分辨率为10位，则表示当外部电流信号的变化大于0.01953125mA时，模拟量A/D转换芯片才认为外部信号有变化。如果分辨率为11位，则表示当外部电流信号的变化大于0.009765625mA时，模拟量A/D转换芯片即认为外部信号有变化。

图2.模拟量分辨

模拟量转换的精度除了取决于A/D转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。在实际应用中，输入的模拟量信号会有波动、噪声和干扰，内部模拟电路也会产生噪声、漂移，这些都会对转换的最后精度造成影响。这些因素造成的误差要大于A/D芯片的转换误差。

表1.模拟量扩展模块基础技术参数

5、S7-200 SMART I/O扩展模块DIAG指示灯以红色闪烁的原因？

S7-200 SMART I/O扩展模块的DIAG指示灯以红色闪烁的原因有两个，建议查看CPU的信息来确认具体报错原因，查看CPU信息的方法请见硬件诊断或诊断方法举例。

（1） 模块缺少24V直流供电电源；I/O扩展模块缺少24V直流供电电源时，所有通道指示灯也以红色闪烁。建议核对模块接线图，尤其是模块供电端含两排端子的，确定供电接线是否正确，以EM DR32为例，正确的接线方式如下图所示。

图3. EM DR32接线图

（2）、模拟量模块上通道断线或是输入值超量程。 模拟量模块上通道断线或是输入值超量程，除了会引起模块的DIAG指示灯以红色闪烁，断线或是超量程的通道的指示灯也以红色闪烁，以提示用户存在故障通道。

以RTD或TC模块为例，如果RTD或TC模块选择了断线报警，如图2.39启动断线报警所示。则模块会检测每个通道的断线情况。默认情况下，该选项是没有被激活的。RTD或TC模块对于没有使用的通道的处理方法如下：

①、RTD模块：将一个100Ohm的电阻按照与已用通道相同的接线方式连接到空的通道；或者将已经接好的那一路热电阻的所有引线，一一对应连接到空的通道上。

②、TC模块：短接未使用的通道，或者并联到旁边的实际接线通道上。 图2.39 启动断线报警 如果不是通道断线引起的报警，就是输入值超量程了。默认情况下，RTD和TC模块的通道输入值超上下限报警是激活的。发生了该报警，用户需要判断引起通道值超量程的原因：是信号问题还是模块硬件的问题。

图4.模拟量断线报警

6. 为什么使用S7-200 SMART模拟量输入模块时接收到变动很大的不稳定的值？

可能的原因如下：

1）、可能模拟量输入模块和现场传感器分别使用了自供电或隔离的电源，而两个电源没有彼此连接，即模拟量输入模块的电源和现场传感器的信号地没有连接；这将会产生一个很高的上下振动的共模电压，影响模拟量输入值。

2）、另一个原因可能是模拟量输入模块接线太长或绝缘不好受到电磁干扰。

可以用如下方法解决：

A .连接现场传感器的负端与模块上的公共M端以补偿此波动,如图1所示：（但要注意，确保这是两个电源系统之间的唯一联系。）

背景是：

模拟量输入模块内部是非隔离的；

共模电压必须小于12V且大于-12V；

对于60Hz干扰信号的共模抑制比为40dB；

图5. 传感器信号等电位连接

注意：模块中未使用的通道直接短接本通道的+、-，已使用的通道将传感器的负端与模块上的公共M端短接 。

B、使用模拟量输入滤波

选择需要滤波的通道；

选择滤波强度；

图6. 设置模拟量输入滤波

模拟量输入值的滤波过程会产生稳定的模拟信号，通常过滤对于在处理变化缓慢的信号时非常有用，例如温度测量。可以为滤波分为4个级别(无、弱、中、强)。可组态模块在组态的周期数内平滑模拟量输入信号，从而将一个平均值传送给程序逻辑，滤波级别越高，经滤波处理的模拟值就越稳定，但无法反应快速变化的实际信号。

S7-200 SMART模拟量输入模块接收到测量值波动时的检测方法和步骤

当 S7-200 SMART模拟量输入模块接收到测量值波动时，可通过如下图的步骤进行检查：

图7. 测量值波动时的检测方法

注意：

A、上图中所提到的等电位连接以及不用通道短接请参考本页图5。

B、屏蔽层单端接地：是在屏蔽电缆的一端将金属屏蔽层直接接地，另一端不接地或通过保护接地。

在屏蔽层单端接地情况下，非接地端的金属屏蔽层对地之间有感应电压存在，感应电压与电缆的长度成正比，但屏蔽层无电势环流通过。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的。

三、S7-200 SMART 扩展模块：

S7-200 SMART 系列包括各种扩展模块和信号板。 可以将这些扩展模块与标准 CPU 型号（SR20\ST20、SR30\ST30、SR40\ST40、或 SR60\ST60）一起使用，给 CPU增加附加功能。 下表列出了当前提供的扩展模块。

注意：

表1.SMART 扩展模块基本信息

四、S7-200 SMART CPU 附加的模块个数：

CPU型号连接扩展模块数信号板CPU CR40----CPU CR60----CPU ST20/SR20最多6个1CPU ST30/SR30最多6个1CPU ST40/SR40最多6个1CPU ST60/SR60最多6个1CPU CR20s

表1.S7-200 SMART CPU V2.0 版本附加的模块个数

注意：

1、模块连接个数还需要受CPU 5V电源预算限制

2、S7-200 SMART CPU V1.0 标准型CPU最多只支持4个扩展模块连接。

五、CPU外形结构：

图1.CPU外形结构

六、电源及传感器输出电源：

在安装或拆卸任何电气设备之前，请确保已切断该设备的电源。在安装和拆卸CPU之前，必须采取合适的安全预防措施并确保切断该CPU的电源。

将CPU连接至电源，下图显示了直流和交流型CPU的接线。

图2.直流安装

图3.交流安装

如果在通电情况下尝试安装CPU或相关设备或者对他们进行接线，则可能会触电或导致设备错误运行。如果在安装和拆卸过程中未切断CPU和相关设备的所有电源，则可能导致人员死亡、重伤、或设备损坏。

传感器输出电源：每一个CPU（除CRs）模块都有一个24VDC传感器电源（CPU的电源都在右上方，而右下方是传感器电源。），它为本机输入点和扩展模块继电器线圈提供24VDC。如果电源要求超出了CPU模块24VDC电源的定额，你可以增加一个外部24VDC电源来供给扩展模块的24VDC。

七、CPU输入电压范围：

直流DC：20.4-28.8 VDC

交流AC：85-264VAC（47-63Hz）

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